DE10047688B4

DE10047688B4 - ion source

Info

Publication number: DE10047688B4
Application number: DE10047688A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. MERGEL; Lutz Dr. Spielberger; Angela Dr. Bräuning-Demian; Maria Cristina Penache; Horst Dr. Schmidt-Böcking; Sven Schößler; Till Jahnke; Oliver Hohn
Original assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Current assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Priority date: 2000-09-24
Filing date: 2000-09-24
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2020-09-25
Also published as: EP1258903A2; US6624584B2; US20020084180A1; EP1258903A3; DE10047688A1

Abstract

Ionenquelle (80, 99, 100) zur Erzeugung eines gerichteten Ionenstrahls (32), wobei die Ionenquelle ein erstes und ein zweites Gasvolumen (21, 22) auf einer ersten bzw. zweiten Seite einer Trennwand (11) umfasst, wobei eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Gasvolumen (21, 22) besteht und Gas aus dem ersten (21) in das zweite Gasvolumen (22) durch zumindest eine Öffnung (1) in der Trennwand (11) strömt und beim Durchströmen in einer Gasentladung ionisiert wird, wobei die Trennwand (11) eine dielektrische Basisschicht (11), eine elektrisch leitfähige erste Schicht (12) auf der ersten Seite (21) der Basisschicht (11) und eine elektrisch leitfähige zweite Schicht (13) auf der zweiten Seite (22) der Basisschicht (11) umfasst, und eine elektrische Spannung zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Schicht (12, 13) anlegbar ist, wodurch eine Gasentladung durch Elektronenstoßionisation im Bereich der Öffnung (1) erzeugt wird.ion source (80, 99, 100) for generating a directed ion beam (32), the ion source having a first and a second gas volume (21, 22) on a first or second side of a partition (11), wherein a pressure difference between the first and second gas volumes (21, 22) and gas from the first (21) into the second gas volume (22) through at least one opening (1) flows in the partition (11) and when flowing through is ionized in a gas discharge, the partition (11) being a dielectric base layer (11), an electrically conductive first Layer (12) on the first side (21) of the base layer (11) and an electrically conductive second layer (13) on the second side (22) of the base layer (11), and an electric voltage between the first and second conductive Layer (12, 13) can be applied, causing gas discharge by electron impact ionization in the area of the opening (1) is generated.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle im allgemeinen und eine Ionenquelle für die Ionenerzeugung in gasförmigen Medien im speziellen.The The invention relates to an ion source in general and an ion source for the Ion generation in gaseous Media in particular.

Ionenquellen (IQ) spielen heute in vielen Bereichen der Physik und in der industriellen Anwendung (Plasmaabscheidung, Implantation, Ionenätzen von Mikrostrukturen etc.) eine wichtige Rolle. Die Anforderungen an solche Ionenquellen sind äußerst vielfältig, z.B. bestimmte Ionenart oder Ladungszustand, hohe Intensität, hohe Brillanz, gepulster Betrieb etc. Allgemein ist jedoch das Ziel, Ionenquellen hoher Intensität mit guter Brillanz zu verbinden.ion sources (IQ) play in many areas of physics and industrial today Application (plasma deposition, implantation, ion etching of Microstructures etc.) play an important role. The requirements for such ion sources are extremely diverse, e.g. certain type of ion or state of charge, high intensity, high Brilliance, pulsed operation etc. In general, however, the goal is High intensity ion sources to combine with good brilliance.

Bei bekannten Ionenquellen werden die Ionen in Plasmen erzeugt, die in der Regel im sub-millibar Druckbereich gezündet und betrieben werden. Dabei zeigt es sich, dass wegen dieser begrenzten Gas- und Plasma-Dichte nur Ionenströme mit Flächendichten von bis ca. 0,5 Ampere/cm² erreicht werden können. Eine ausführliche Beschreibung solcher bekannter Ionenquellen findet sich z.B. in B. Wolf, Handbook of Ion Sources, CRC Press, Boca Raton (1995) oder I. G. Brown, The Physics and Technology of Ion Sources, John Wiley & Sons, New York (1989), welche hiermit vollumfänglich zum Gegenstand der Beschreibung gemacht werden.In known ion sources, the ions are generated in plasmas, which are generally ignited and operated in the sub-millibar pressure range. It turns out that because of this limited gas and plasma density, only ion currents with areal densities of up to about 0.5 amperes / cm ² can be achieved. A detailed description of such known ion sources can be found, for example, in B. Wolf, Handbook of Ion Sources, CRC Press, Boca Raton (1995) or IG Brown, The Physics and Technology of Ion Sources, John Wiley & Sons, New York (1989), which are hereby fully made the subject of the description.

Aus dem Dokument DE 42 42 616 A1 ist eine Vorrichtung zumzur Erzeugenung eines Strahls beschleunigter Ionen und/oder Atome bekannt. Hierbei ist in einer Quarzkapillare ein Anodendraht eingeführt, um ein Plasma zu zünden. Der Aufbau dieser Vorrichtung ist schwierig und die Positionierung des Anodendrahtes empfindlich, wodurch die Vorrichtung teuer und störanfällig ist. Darüber hinaus stört der Anodendraht in der Quarzkapillare die freie Expansion des Gases, was sich nachteilig auf die Intensität und die Qualität des Ionenstrahls auswirken kann.From the document DE 42 42 616 A1 an apparatus for generating a beam of accelerated ions and / or atoms is known. Here, an anode wire is inserted into a quartz capillary to ignite a plasma. The construction of this device is difficult and the positioning of the anode wire is sensitive, which makes the device expensive and prone to failure. In addition, the anode wire in the quartz capillary interferes with the free expansion of the gas, which can adversely affect the intensity and quality of the ion beam.

Das Dokument DE 36 01 632 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Extraktionsgittern für Ionenquellen und durch das Verfahren hergestellte Extraktionsgitter.The document DE 36 01 632 A1 describes a method for producing extraction grids for ion sources and extraction grids produced by the method.

Ferner beschreibt der Abstrakt des Dokuments JP 02152140 A eine Ziehelektrode für Ionen, umfassend eine Membran zwischen zwei Elektroden.It also describes the abstract of the document JP 02152140 A a pulling electrode for ions, comprising a membrane between two electrodes.

Die Brillanz oder Emittanz des Ionenstrahles wird durch die Temperatur der Ionen in der Quelle begrenzt. Diese Temperatur liegt bei den bekannten Ionenquellen typischerweise bei mehreren 1000° Celsius, was einer Energieunschärfe in allen drei Raumrichtungen von ca. 0,1 bis 1 eV (Elektronvolt) entspricht. Um Ionenstrahlen mit hoher Stromstärke zu erzeugen, werden hierbei in der Regel große Plasma-Volumina benötigt.The Brilliance or emittance of the ion beam is caused by the temperature the ions in the source are limited. This temperature is at known ion sources typically at several 1000 ° Celsius, what an energy blur in all three spatial directions from approx. 0.1 to 1 eV (electron volt) equivalent. In order to generate ion beams with a high current intensity, here usually big Plasma volumes needed.

Weiter beschreibt das Dokument DE 198 26 418 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit Elektroden, die an ihrer Oberfläche scharfe Kanten aufweisen. Gemäß der Beschreibung wird die Erzeugung des Plasmas bei einem Druck in der Größenordnung von 1 mbar bis 1,5 bar ermöglicht. Diese Vorrichtung ist jedoch zum Beispiel für Flachbildschirme vorgesehen.The document also describes DE 198 26 418 A1 a device for generating a plasma with electrodes that have sharp edges on their surface. According to the description, the generation of the plasma is made possible at a pressure of the order of 1 mbar to 1.5 bar. However, this device is intended for example for flat screens.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Ionenquelle mit sehr kleinem Volumen, aber mit hohem Ionenstrom, geringer Emittanz und/oder hoher Brillanz, insbesondere geringer Energieunschärfe, zur Verfügung stellen.It is therefore an object of the invention, an ion source with very small volume, but with high ion current, low emittance and / or high brilliance, especially low energy blur, for disposal put.

Eine weitere Aufgabe ist es, eine preiswerte und kompakte Ionenquelle zur Verfügung zu stellen.A Another job is to find an inexpensive and compact ion source to disposal to deliver.

Eine weitere Aufgabe ist es, eine Ionenquelle für großflächige Ionenstrahlen zur Verfügung zu stellen.A Another task is to provide an ion source for large-area ion beams put.

Die Aufgabe der Erfindung wird in einfacher Weise bereits durch die in Anspruch 1 definierte Ionenquelle gelöst.The The object of the invention is achieved in a simple manner Solved ion source defined in claim 1.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle umfasst ein erstes und ein zweites Gasvolumen auf einer ersten bzw. zweiten Seite einer Trennwand, wobei eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Gasvolumen besteht und Gas aus dem ersten in das zweite Gasvolumen durch zumindest eine Öffnung in der Trennwand strömt und beim Durchströmen in einer Gasentladung ionisiert wird.The ion source according to the invention comprises a first and a second gas volume on a first or second side of a partition, wherein a pressure difference between the first and second gas volumes and gas from the first flows into the second gas volume through at least one opening in the partition and at Flow through is ionized in a gas discharge.

Dadurch erzeugt die Ionenquelle in vorteilhafter Weise einen gerichteten und kalten Ionenstrahl.Thereby the ion source advantageously generates a directed one and cold ion beam.

Ferner verwendet die Ionenquelle eine Trennwand, umfassend eine dielektrische Basisschicht, eine elektrisch leitfähige erste Schicht auf der ersten Seite der Basisschicht und eine elektrisch leitfähige zweite Schicht auf der zweiten Seite der Basisschicht.Further the ion source uses a partition comprising a dielectric Base layer, an electrically conductive first layer on the first side of the base layer and an electrically conductive second Layer on the second side of the base layer.

Solche Trennwände, insbesondere in Form einer flexiblen Folie sind leicht und preisgünstig herstellbar. Zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten ist eine Spannung anlegbar, welche aufgrund der kleinen Geometrie innerhalb der kleinen Öffnung extrem hohe elektrische Feldstärken ergibt. Die Feldstärken im Bereich der Öffnung betragen mindestens etwa 10⁴, 10⁵, 10⁶, 10⁷ oder sogar 10⁸ V/cm. Hierzu sind lediglich relativ geringe Spannungen in der Größenordnung von 1 bis 1000 Volt notwendig. Aufgrund der hohen Feldstärken kann die Ionenquelle bei hohen Drücken von bis zu 10^-3, 10^-2, 10^-1, 10, oder 10² bar auf der ersten Seite der Trennwand betrieben werden.Such partitions, in particular in the form of a flexible film, can be produced easily and inexpensively. A voltage can be applied between the two electrically conductive layers, which results in extremely high electrical field strengths due to the small geometry within the small opening. The field strengths in the area of the opening are at least about 10 ⁴ , 10 ⁵ , 10 ⁶ , 10 ⁷ or even 10 ⁸ V / cm. There are only relatively low voltages for this on the order of 1 to 1000 volts. Due to the high field strengths, the ion source can be operated at high pressures of up to 10 ^-3 , 10 ^-2 , 10 ^-1 , 10, or 10 ² bar on the first side of the partition.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt die Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Seite der Trennwand zumindest ein, zwei, drei, vier fünf oder sechs Zehnerpotenzen. Dadurch expandiert das Gas beim Durchströmen durch die Öffnung im wesentlichen adiabatisch isochor. Dadurch wird die gesamte Enthalpie des Gases in gerichtete Bewegung umgewandelt, so dass die Gasatome eine mittlere Geschwindigkeit v = (5kT/m)^1/2, erhalten, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die Gastemperatur sind. Dabei kühlt das Gas auf Temperaturen bis in den milliKelvin-Bereich ab. Es entsteht ein Überschallgasjet (supersonic jet), welcher in Fachkreisen zuweilen auch als Ultraschallgasjet bezeichnet wird. Letztere Terminologie wird im Folgenden verwendet. Diese Technik ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Dieser Ultraschallgasjet wird nun erfindungsgemäß im Bereich der Öffnung durch Elektronenstoßionisation ionisiert, wodurch ein extrem kalter und gerichteter Ionenstrahl entsteht.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the pressure difference between the first and second sides of the partition is at least one, two, three, four, five or six powers of ten. As a result, the gas expands essentially adiabatically isochorically as it flows through the opening. As a result, the entire enthalpy of the gas is converted into directional movement, so that the gas atoms have an average velocity v = (5 kT / m) ^1/2 , where k is the Boltzmann constant and T is the gas temperature. The gas cools down to temperatures in the milliKelvin range. A supersonic jet is created, which is sometimes referred to as an ultrasonic gas jet in specialist circles. The latter terminology is used below. This technique is basically known to the person skilled in the art. This ultrasound gas jet is now ionized in the region of the opening by electron impact ionization, which results in an extremely cold and directed ion beam.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der kälteste innere Teil des Ionenstrahls durch eine Blende oder einen Skimmer herausgeschält, wodurch eine noch geringere Energieunschärfe erzeugt wird. Um besonders geringe Ionentemperaturen zu erreichen, wird das Gas in dem ersten Gasvolumen vorzugsweise auf unter 100, 70, 30, 20, oder 10 Kelvin gekühlt.at A preferred development of the invention is the coldest interior Part of the ion beam peeled out through an aperture or skimmer, causing even less energy blur is produced. In order to achieve particularly low ion temperatures, the gas in the first gas volume is preferably below 100, 70, 30, 20, or 10 Kelvin chilled.

Besonders vorteilhaft wird mit einem Mischgas aus Trägergas und einem Arbeitsgas gearbeitet, wobei im wesentlichen lediglich die Atome oder Moleküle des Arbeitsgases ionisiert werden. Das Trägergas bestimmt die thermodynamischen Eigenschaften der Gasexpansion. Zum Beispiel ist Helium aufgrund seiner geringen Atommasse und seinem hohen Ionisationspotential besonders gut als Trägergas geeignet, wobei es während der Expansion das Arbeitsgas kühlt. Außerdem können in Helium wegen dessen hoher elektronischer Anregungsenergie die bei der Gasentladung entstehenden und daraufhin durch das elektrische Feld beschleunigten Elektronen trotz des hohen Gasdrucks eine große kinetische Energie aufnehmen. Das Arbeitsgas weist ein wesentlich geringeres Ionisationspotential als Helium auf, so dass im wesentlichen lediglich das Arbeitsgas ionisiert wird. Durch Wahl des Mischverhältnisses von Träger- und Arbeitsgas kann die mittlere kinetische Energie der Elektronen und damit die Ionisation des Arbeitsgases gezielt eingestellt werden.Especially is advantageous with a mixed gas of carrier gas and a working gas worked, essentially only the atoms or molecules of the working gas be ionized. The carrier gas determines the thermodynamic properties of gas expansion. To the One example is helium due to its low atomic mass and high Ionization potential particularly well suited as a carrier gas, it being during the Expansion cools the working gas. Moreover can in helium because of its high electronic excitation energy the gas discharge and then by the electrical In spite of the high gas pressure, electrons accelerated a large amount of kinetic energy in the field take up. The working gas has a much lower ionization potential as helium, so that essentially only the working gas ionizes becomes. By choosing the mixing ratio of Carrier- and working gas can be the mean kinetic energy of the electrons and thus the ionization of the working gas can be set specifically.

Durch Kühlung des Trägergases wird die transversale Impulsunschärfe des Gases und damit des Ionenstrahls weiter verringert, so dass der Ionenstrahl eine extrem gute transversale Brillanz besitzt.By cooling of the carrier gas is the transverse impulse blur of the gas and thus the Ion beam further decreased, making the ion beam an extreme has good transverse brilliance.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung verwendet sogenannte Mikrostrukturelektroden-Folien. Eine Mikrostrukturelektrode (MSE) umfasst eine, mehrere oder viele Mikro-Öffnungen. Im Falle von mehreren oder vielen sind diese vorzugsweise als regelmäßige flächenhafte Matrix angeordnet. Diese sind preisgünstig, großflächig, mit geringem Abstand zwischen den Öffnungen und sehr kleinen Öffnungen herstellbar. Bei dieser Ausführungsform wird ein großflächiges Plasma durch eine Vielzahl von Poren erzeugt.A preferred development of the invention uses so-called microstructure electrode foils. A microstructure electrode (MSE) comprises one, several or many Micro-openings. In the case of several or many, these are preferably planar as regular Arranged matrix. These are inexpensive, large-scale, with a small distance between the openings and very small openings. In this embodiment becomes a large area plasma created by a variety of pores.

Dadurch werden Ionenstromdichten von mindestens 10^-3, 10^-2, 10^-1, 10, 100 oder 1000 Ampere/cm² bei Gleichstrom oder gepulstem Betrieb) erzeugt.As a result, ion current densities of at least 10 ^-3 , 10 ^-2 , 10 ^-1 , 10, 100 or 1000 amperes / cm ^{2 are} generated with direct current or pulsed operation).

Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.in the The invention is based on preferred embodiments and explained in more detail with reference to the figures.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Es zeigen:It demonstrate:

1a eine Schnittzeichnung durch eine erste Ausführungsform einer Einzelpore, 1a 2 shows a sectional drawing through a first embodiment of a single pore,

1b eine Schnittzeichnung durch eine zweite Ausführungsform einer Einzelpore, 1b 2 shows a sectional drawing through a second embodiment of a single pore,

2 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer MSE-Folie, 2 1 shows a perspective view of a section of an MSE film,

3 eine Schnittzeichnung der Potentialverteilung in einer Pore gemäß einer Computersimulation, 3 2 shows a sectional drawing of the potential distribution in a pore according to a computer simulation,

4 eine schematische Schnittzeichnung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenquelle, 4 2 shows a schematic sectional drawing of a first embodiment of the ion source according to the invention,

5 eine schematische Schnittzeichnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multielektrodenpore 5 is a schematic sectional drawing of an embodiment of the multi-electrode pore according to the invention

6 eine schematische Schnittzeichnung durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, 6 2 shows a schematic sectional drawing through a second embodiment of the invention,

7 eine Draufsicht auf zwei verschiedene Porenformen vor (obere Reihe) und nach dem Betrieb (untere Reihe), 7 a top view of two different pore shapes before (upper row) and after operation (lower row),

8 eine Draufsicht auf eine Pore mit integriertem passivem Widerstand, 8th a top view of a pore with inte passive resistance,

9 eine Draufsicht auf eine MSE-Folie mit 16 Poren und 9 a plan view of a MSE film with 16 pores and

10 eine Draufsicht auf die MSE-Folie aus 9 mit leuchtenden Mikroglimmentladungen. 10 a top view of the MSE film 9 with glowing microglow discharges.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention

1a zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Einzelpore 1 mit einer Basisschicht 11 von 50 μm starkem Kapton oder etwa 300 μm starker Keramik mit elektrisch leitfähigen Elektrodenschichten 12, 13 auf beiden Seiten der Basisschicht 11. Die Stärke der Elektrodenschichten 12, 13 beträgt 40 bis 200 μm und ist aus Kupfer oder Kupfer-Nickel. Die elektrisch leitfähige Schicht 12 auf der Hochdruckseite 21 wird als Anode 12 und die Schicht 13 auf der Niederdruckseite 22 der Pore 1 als Kathode 13 gefahren. Der Lochdurchmesser beträgt an der engsten Stelle d, welche bei dieser ersten Pore in der Mitte der Isolationsschicht liegt, zwischen etwa 10 und 100 μm. Der Durchmesser an der Grenze zwischen Elektrodenschicht und Basisschicht D beträgt 70 bis 150 μm. Der Lochabstand bei Verwendung einer Vielzahl solcher Poren 1 beträgt ca. 100 μm bis ca. 1 mm. 1a shows a first preferred embodiment of a single pore 1 with a base layer 11 of 50 μm thick Kapton or about 300 μm thick ceramic with electrically conductive electrode layers 12 . 13 on both sides of the base layer 11 , The thickness of the electrode layers 12 . 13 is 40 to 200 μm and is made of copper or copper-nickel. The electrically conductive layer 12 on the high pressure side 21 is used as an anode 12 and the layer 13 on the low pressure side 22 the pore 1 as a cathode 13 hazards. The hole diameter at the narrowest point d, which in this first pore lies in the middle of the insulation layer, is between approximately 10 and 100 μm. The diameter at the boundary between the electrode layer and base layer D is 70 to 150 μm. The hole spacing when using a large number of such pores 1 is approx. 100 μm to approx. 1 mm.

1b zeigt eine zweite Ausführungsform einer Pore 1, welche sich dadurch von der ersten Pore 1 unterscheidet, dass sich der kleinste Durchmesser d an der Grenze zwischen der Basisschicht 11 und der Kathodenschicht 13 befindet. 1b shows a second embodiment of a pore 1 which differs from the first pore 1 differs in that the smallest diameter d is at the boundary between the base layer 11 and the cathode layer 13 located.

Jede einzelne Mikroionenenquelle wird aus einer Mikropore 1 in einer dünnen Folie gebildet. Diese hat nur ein Volumen von weniger als etwa 10^-5 cm³ und kann bei Drucken (Hochdruckseite) von einigen Millibar bis einigen Bar betrieben werden. Die zur Erzeugung der Ionen in einer Gasentladung 14 notwendigen elektrischen Spannungen liegen hier bei wesentlich unter 1000V und betragen vorzugsweise 200 bis 450 V. Aufgrund der speziellen Geometrie des Mikroionenquellensystems z.B. bei einer Pore 1 mit ca. 100 μm Durchmesser und ca. 250 μm Länge mit sehr scharfen Elektrodenkanten werden so hohe Feldstärken erreicht, dass die Entladung bei Anlegen der Spannung sofort zündet. D.h. es werden sehr geringe Verzögerungszeiten von etwa <1 μsec erreicht. Die gemessene Leistungsdichte pro Mikroentladung (je Pore 1) kann im Gleichstrombetrieb von milliWatt bis zu mehreren 100 Watt betragen. Damit können Leistungsdichten von mehr als 1, 10 oder 100kW pro cm² erreicht werden. Im Pulsbetrieb sind sogar noch höhere Leistungsdichten möglich.Every single micro ion source is made up of a micropore 1 formed in a thin film. This has a volume of less than about 10 ^-5 cm ³ and can be operated at pressures (high pressure side) from a few millibars to a few bars. The one for generating the ions in a gas discharge 14 The necessary electrical voltages are substantially below 1000 V and are preferably 200 to 450 V. Because of the special geometry of the microion source system, for example in the case of a pore 1 With a diameter of approx. 100 μm and a length of approx. 250 μm with very sharp electrode edges, such high field strengths are achieved that the discharge ignites immediately when the voltage is applied. Ie very short delay times of approximately <1 μsec are achieved. The measured power density per micro-discharge (per pore 1 ) can be from milliWatt to several 100 watts in DC operation. This means that power densities of more than 1, 10 or 100 kW per cm ² can be achieved. Even higher power densities are possible in pulse mode.

2 zeigt einen Ausschnitt aus einer MSE-Folie 100 mit 16 Poren 1. 2 shows a section of an MSE slide 100 with 16 pores 1 ,

3 zeigt beispielhaft die simulierte Potentialverteilung in einer Pore 1 einer MSE-Folie. 3 shows an example of the simulated potential distribution in a pore 1 an MSE film.

4 zeigt einen Ultraschallgasjet mit der erfindungsgemäßen Mikro-Gasentladung. Dadurch wird eine Ionenquelle 99 mit hoher Intensität und ausgezeichneter Emittanz zur Verfügung gestellt. Gas strömt von der Hochdruckseite 21 durch eine Pore 1 auf die Niederdruckseite 22 und expandiert dabei adiabatisch isochor. Der dabei entstehende Ultraschallgasjet 15 tritt zum Teil durch den Skimmer 25 in das Volumen 23. 4 shows an ultrasonic gas jet with the micro-gas discharge according to the invention. This creates an ion source 99 provided with high intensity and excellent emittance. Gas flows from the high pressure side 21 through a pore 1 to the low pressure side 22 and expands adiabatically isochorously. The resulting ultrasonic gas jet 15 partly passes through the skimmer 25 in the volume 23 ,

Bezug nehmend auf 4, beträgt der Druck auf der Anodenseite, d.h. der Hochdruckseite 21 (Vakuumstufe 21) der Pore 1 bei dieser Ausführungsform der Erfindung etwa 1 bar und strömt durch die Pore 1, wobei sich ein sehr kalter Ultraschallstrahl 15 ausbildet, dessen Gas eine innere Temperatur von weniger als 1°K hat. Auf der Kathodenseite, d.h. Niederdruckseite 22 treten je nach Pumpleistung in dem Volumen 22 Drucke zwischen 10^-3 bis einige 10^-1 mbar auf. Die elektrische Entladung 14 brennt in der Pore 1 und erzeugt durch Elektronstoßionisation in einer Gasentladung 14 Ionen.Referring to 4 , is the pressure on the anode side, ie the high pressure side 21 (Vacuum stage 21 ) the pore 1 approximately in this embodiment of the invention 1 bar and flows through the pore 1 , with a very cold ultrasound beam 15 trains whose gas has an internal temperature of less than 1 ° K. On the cathode side, ie low pressure side 22 occur in the volume depending on the pump power 22 Print between 10 ^-3 to a few 10 ^-1 mbar. The electrical discharge 14 burns in the pore 1 and generated by electron impact ionization in a gas discharge 14 Ions.

Das zu ionisierende Gas, d.h. das Arbeitsgas, bei dieser Ausführungsform z.B. O₂ oder Kr wird dem Trägergas, hier etwa neunzig Volumenprozent Helium beigemischt. Es kann aber grundsätzlich jedes Träger- und jedes Arbeitsgas verwendet werden. In der Hochdruckstufe 21 wird das Gasgemisch auf ca. 20°K vorgekühlt. Die Ionisationsenergien der exemplarischen Arbeitsgase O₂ und Kr sind wesentlich niedriger als die des Helium, daher wird im wesentlichen lediglich das Arbeitsgas ionisiert. Bei den Stößen in der Pore 1 während der Ausbildung des Ultraschallstrahls 15 werden die Ionen durch das He gekühlt, wegen der stark unterschiedlichen Ionisationspotentiale findet aber kaum Ladungsaustausch mit den Heliumatomen statt. Transversal werden die Ionen im wesentlichen auf die innere Temperatur des He-Ultraschallstrahles 15 heruntergekühlt und erreichen so transversale Temperaturen von unter 1°K. Longitudinal hängt die Ionenstrahltemperatur vor allem vom Entstehungsort der Ionen in der Pore ab, da je nach Entstehungsort sie sich auf leicht unterschiedlichem Potential befinden. Durch Verlängerung der Pore 1 oder Aufbau einer Multielektrodenpore 80 (5) kann eine weiter verbesserte Kühlung mit dem He-Trägergas und eine elektrische Fokussierung der Ionen auch in der longitudinalen Richtung erreicht werden. Damit wird auch die longitudinale Emittanz reduziert. Je nach Druck in der Stufe 22 wird der Abstand zwischen Ausgang der Pore 1 auf der Kathodenseite 22 und Ionenstrahlabschäler 25 oder Skimmer optimal eingestellt, damit der Ultraschallstrahl 15 nicht zerstört wird. Der Abstand beträgt etwa wenige mm bis etwa 1,5 cm. Der Ultraschallstrahl 15 tritt gerichtet, aber nicht notwendigerweise fokussiert aus der Pore 1. Je nach Größe des Skimmers 25, bei dieser Ausführungsform etwa 1mm Durchmesser oder kleiner tritt ein relativ großer Anteil der Ionen wegen ihrer vorzüglichen Transversalemittanz und Fokussierung durch den Skimmer 25. Mit Hilfe einer Fokussierungslinse 26 zwischen der Pore 1 und dem Skimmer 25 wird ein besonders großer Anteil des Ionenstroms 32 durch den Skimmer geführt.The gas to be ionized, ie the working gas, in this embodiment, for example O ₂ or Kr, is mixed with the carrier gas, here around ninety percent by volume of helium. In principle, however, any carrier gas and any working gas can be used. In the high pressure stage 21 the gas mixture is pre-cooled to approx. 20 ° K. The ionization energies of the exemplary working gases O ₂ and Kr are significantly lower than those of helium, so essentially only the working gas is ionized. With the bumps in the pore 1 during the formation of the ultrasound beam 15 the ions are cooled by the He, but due to the very different ionization potentials there is hardly any charge exchange with the helium atoms. Transversely, the ions become essentially at the internal temperature of the He ultrasound beam 15 cooled down and reach transversal temperatures below 1 ° K. Longitudinally, the ion beam temperature mainly depends on the point of origin of the ions in the pore, since depending on the point of origin they are at slightly different potential. By extending the pore 1 or construction of a multi-electrode pore 80 ( 5 ) a further improved cooling with the He carrier gas and an electrical focusing of the ions can also be achieved in the longitudinal direction. This also reduces the longitudinal emittance. Depending on the pressure in the stage 22 becomes the distance between the exit of the pore 1 on the cathode side 22 and ion beam peeler 25 or skimmer optimally adjusted so that the ultrasound beam 15 is not destroyed. The distance is about a few mm to about 1.5 cm. The ultrasound beam 15 occurs judiciously, but not more necessary wise focused from the pore 1 , Depending on the size of the skimmer 25 In this embodiment, approximately 1 mm in diameter or smaller, a relatively large proportion of the ions pass through the skimmer because of their excellent transverse emittance and focusing 25 , With the help of a focusing lens 26 between the pore 1 and the skimmer 25 becomes a particularly large proportion of the ion current 32 led through the skimmer.

Die Ionenquelle 99 ist umschlossen von einer Vakuumkammer (nicht gezeigt), welche durch eine Mehrzahl von Pumpen (nicht gezeigt) evakuiert wird. Vorzugsweise wird das Gasvolumen 21 durch einen Kryostaten (nicht gezeigt) gekühlt.The ion source 99 is enclosed by a vacuum chamber (not shown) which is evacuated by a plurality of pumps (not shown). Preferably the gas volume 21 cooled by a cryostat (not shown).

5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pore 1, nämlich eine Multielektrodenpore 80. Durch mehrere, in dieser Ausführungsform sechs, von Basis- oder Isolatorschichten 117, 118, 119, 120, 121 getrennte, hintereinander angeordnete und unabhängig voreinander ansteuerbare Elektroden 111, 112, 113, 114, 115, 116 wird innerhalb der Pore 80 das elektrische Feld in vielfältiger Weise modelliert. Jede einzelne Stufe, bestehend aus einer Isolatorschicht und den zwei angrenzenden leitfähigen Schichten, stellt eine wie oben beschriebene Mikropore dar. Der Durchmesser verengt sich in Stromrichtung von der Elektrode 111 bis zur Elektrode 113, verengt sich mit geringerer Steigung von der Elektrode 113 bis zur Elektrode 115 und erweitert sich von der Elektrode 115 bis zur Elektrode 116, wobei der Durchmesser bei der Elektrode 116 kleiner ist als bei der Elektrode 111. Durch diese bevorzugte Geometrie der Öffnung fällt der Druck über etwa eine Größenordnung innerhalb des Bereichs zwischen den Elektroden 111 und 113 ab. Zwischen den Elektroden 113 und 116 bildet sich der eigentliche Ultraschalljet aus. Hier werden die Ionen durch elastische Stöße gekühlt. Durch Anlegen geeigneter Spannung an die Elektroden wird der Ionenstrahl optimal transportiert. Durch die innere Geometrie der Pore 80 wird das Kühlverhalten bei der Expansion gezielt beeinflusst. 5 shows a further embodiment of a pore according to the invention 1 , namely a multi-electrode pore 80 , By several, in this embodiment six, of base or insulator layers 117 . 118 . 119 . 120 . 121 separate electrodes arranged one behind the other and controllable independently of each other 111 . 112 . 113 . 114 . 115 . 116 is inside the pore 80 modeled the electric field in a variety of ways. Each individual stage, consisting of an insulator layer and the two adjacent conductive layers, represents a micropore as described above. The diameter narrows in the current direction from the electrode 111 to the electrode 113 , narrows from the electrode with a smaller pitch 113 to the electrode 115 and expands from the electrode 115 to the electrode 116 , the diameter at the electrode 116 is smaller than that of the electrode 111 , Due to this preferred geometry of the opening, the pressure drops over an order of magnitude within the area between the electrodes 111 and 113 from. Between the electrodes 113 and 116 the actual ultrasound jet is formed. Here the ions are cooled by elastic collisions. The ion beam is optimally transported by applying a suitable voltage to the electrodes. Due to the inner geometry of the pore 80 the cooling behavior is specifically influenced during expansion.

6 zeigt eine Multiporenionenquelle 100. Hierbei kann jede Pore 1 einzeln angesteuert werden. In jeder Pore kann unabhängig voneinander eine Entladung im Submikrosekundenbereich ein- und wieder ausgeschaltet werden. Eine solche Multiporenionenquelle eignet sich insbesondere zur Oberflächenreinigung und -beschichtung eines Substrats 90 bei einem erzeugbaren Ionenstrom von mehr als 10¹⁵Ionen/sec pro Pore. Wegen der sehr guten Emittanz des Ionenstrahls kann z.B. eine makroskopische Maske auf das Substrat 90 im Nanometer-Bereich verkleinert werden und Ionenstrahlserigraphie im atomaren Bereich ist möglich. 6 shows a multipore ion source 100 , Here, any pore 1 can be controlled individually. A discharge in the submicrosecond range can be switched on and off independently in each pore. Such a multipore ion source is particularly suitable for cleaning and coating the surface of a substrate 90 with an ion current that can be generated of more than 10 ¹⁵ ions / sec per pore. Because of the very good emittance of the ion beam, for example, a macroscopic mask can be reduced to the substrate 90 in the nanometer range and ion beam screen printing in the atomic range is possible.

Systematische Untersuchungen mit Einzelporen 1 haben gezeigt, dass pro Pore 1 eine Entladung über Stunden von ca. 3 bis 5 Watt bei 200 V Entladungsspannung und 15 bis 25 mA Strom betrieben werden kann. Diese Werte wurden mit Folien erreicht, welche als Basisschicht 13 Kapton verwenden. Es Keramikbasierte Folien sollten wesentlicher langlebiger sein.Systematic investigations with single pores 1 have shown that per pore 1 a discharge can be operated for hours of approx. 3 to 5 watts at 200 V discharge voltage and 15 to 25 mA current. These values were achieved with foils, which are used as the base layer 13 Use Kapton. Ceramic-based foils should be much more durable.

Diese Entladungen können extrem schnell im Pulsbetrieb ein- und ausgeschaltet werden. Es werden Schaltzeiten von unter 10 oder 1 μsec erreicht. Ein- und Ausschaltzeiten in bekannten Ionenquellen sind je nach Plasmageometrie 14 mehr als einen Faktor hundert länger.These discharges can be switched on and off extremely quickly in pulse mode. Switching times of less than 10 or 1 μsec are achieved. Switch-on and switch-off times in known ion sources depend on the plasma geometry 14 more than a factor of a hundred longer.

7 zeigt eine Draufsicht auf zwei verschiedene MSE-Porenformen vor (obere Reihe) und nach dem Betrieb (untere Reihe) von einigen Stunden. 7 shows a top view of two different MSE pore shapes before (upper row) and after operation (lower row) of a few hours.

Die einzeln ansteuerbaren Mikroentladungen 14 können eng beieinander flächenhaft integriert werden, so dass mehr als 10³ Poren/cm² schon erreicht wurden. Im Prinzip ist die Größe der Fläche nahezu unbegrenzt. Die Limitierung wird im wesentlichen lediglich von der Leistung der Pumpe in der Vakuumstufe 22 bestimmt, um das recyclebare He-Trägergas abzupumpen, sowie durch die thermische Belastung pro Fläche, welche zur Zerstörung der Porenfolie 100 führen kann.The individually controllable micro discharges 14 can be integrated closely together so that more than 10 ³ pores / cm ² have already been reached. In principle, the size of the area is almost unlimited. The limitation is essentially only the performance of the pump in the vacuum stage 22 determined to pump out the recyclable He carrier gas, as well as by the thermal load per surface, which leads to the destruction of the pore film 100 can lead.

Das Volumen einer Mikroionenenquelle mit etwa 1000 Poren misst nur etwa eine Fläche von ca.(4 × 4)mm² und hat eine Dicke von ca. 0,3 mm. Das geometrische Volumen der gekühlten Hochdruckstufe 21 wird an die gewünschte Temperatur angepasst, es liegt vorzugsweise im Bereich von einigen cm³. Mit der Ionenquelle 99 werden bei Transversalemittanzen von etwa 1°K oder weniger Ionenströme von einigen 100 mA bis 1 A erreicht. Außerdem liegt die angelegte Spannung nur bei einigen 100V, bei dieser Ausführungsform 200 bis 450 V.The volume of a microion source with approximately 1000 pores only measures approximately an area of approximately (4 × 4) mm ² and has a thickness of approximately 0.3 mm. The geometric volume of the cooled high pressure stage 21 is adjusted to the desired temperature, it is preferably in the range of a few cm ³ . With the ion source 99 are achieved with transverse emittances of approximately 1 ° K or less ion currents of a few 100 mA to 1 A. In addition, the applied voltage is only a few 100V, in this embodiment 200 to 450 V.

Damit wird eine Ionenquelle 99 vorgestellt, die basierend auf Mikrostrukturelektroden mit Ultraschallexpansion und Ultraschallionenkühlung sehr hohe Leistungsdichten bei höchster Brillanz und sehr schnellen Ansteuerzeiten bietet und außerdem von der Größe her als ein Mikrosystem zu gelten hat. Ein entscheidender physikalischer Unterschied zu herkömmlichen Ionenquellen resultiert aus der extrem hohen Feldstärke auf Grund der Mikrostrukturgeometrie, so dass bei einem hohen Druck von etwa 1 bar Entladungen (Glimmentladungen) gezündet werden können, und dies mit relativ geringen Spannungen.It becomes an ion source 99 based on microstructure electrodes with ultrasound expansion and ultrasound ion cooling, which offers very high power densities with the highest brilliance and very fast activation times and which also has to be considered a microsystem in terms of size. A decisive physical difference to conventional ion sources results from the extremely high field strength due to the microstructure geometry, so that discharges (glow discharges) can be ignited at a high pressure of about 1 bar, and this with relatively low voltages.

Claims

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) to generate a directed ion beam ( 32 ), the ion source having a first and a second gas volume ( 21 . 22 ) on a first or second side of a partition ( 11 ), with a pressure difference between the first and second gas volumes ( 21 . 22 ) and gas from the first ( 21 ) into the second gas volume ( 22 ) through at least one opening ( 1 ) in the partition ( 11 ) flows and is ionized when flowing through in a gas discharge, the partition ( 11 ) a dielectric base layer ( 11 ), an electrically conductive first layer ( 12 ) on the first page ( 21 ) the base layer ( 11 ) and an electrically conductive second layer ( 13 ) on the second page ( 22 ) the base layer ( 11 ) and an electrical voltage between the first and second conductive layers ( 12 . 13 ) can be applied, whereby a gas discharge by electron impact ionization in the area of the opening ( 1 ) is produced.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to claim 1, characterized in that a pulsed electrical voltage between the first and second conductive layer ( 12 . 13 ) can be created.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the region of the opening ( 1 ) an electric field strength of at least 10 ⁴ ; 10 ⁵ , 10 ⁶ , 10 ⁷ or 10 ⁸ V / cm can be generated.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gas when flowing through the opening ( 1 ) expanded essentially adiabatically.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas is a mixed gas consisting of He and Kr.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gas consists of a carrier gas and a working gas, He being used as the carrier gas and Kr or O ₂ as the working gas.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling device is provided with which the gas on the first side of the partition ( 13 ) can be cooled to below 100, 70, 30, 20, or 10 Kelvin.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a device for generating a pressure is provided, the pressure on the first side (21) of the partition ( 11 ) at least 10 ^-2 , 10 ^-1 , 10 or 10 ² bar and / or the pressure on the second side ( 22 ) the partition ( 11 ) is at most 10 ^-4 , 10 ^-5 , 10 ^-6 , 10 ^- ⁷ or 10 ^-8 bar.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the understanding claims, characterized in that a device for generating electrical and / or magnetic fields is provided on the second side of the partition, by means of which the ion beam ( 32 ) of non-ionized gas ( 31 ) is separated.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that on the second side ( 22 ) the partition ( 11 ) at a predetermined distance from the opening ( 1 ) Peeler ( 25 ) is arranged.

Ion source ( 80 . 99 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at the openings ( 1 ) different voltages are applied across electrodes created independently of one another.

Ion source ( 80 ) with an opening ( 1 ), through which a gas to be ionized flows, characterized in that the ion source ( 80 ) has a layer-like structure, a first dielectric base layer ( 117 ) is provided, on the first side of which a first electrode ( 111 ) and on the second side a second electrode ( 112 ) is provided, the second electrode ( 112 ) simultaneously on a first side of a second dielectric base layer ( 118 ) and on the second side of the second dielectric base layer a third electrode ( 113 ) is provided and the opening ( 1 ) runs continuously through the electrodes and base layers.

Ion source ( 80 ) according to claim 12, characterized in that the opening ( 1 ) on the first and second electrodes ( 111 . 112 ) and / or on the second and third electrodes ( 112 . 113 ) has different diameters.